Simulations of the muon-induced neutron background of the EDELWEISS-II experiment for dark matter search [Elektronische Ressource] / von Oliver Markus Horn

Dipl.-Phys. Markus Horn

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• Publié par: karlsruher_institut_fur_technologie
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 22
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 54 Mo

Extrait

Simulations of the
muon-induced neutron background
of the EDELWEISS-II experiment
for Dark Matter search
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN
von der Fakult¨at fur¨ Physik der
Universitat Karlsruhe (TH)¨
genehmigte
DISSERTATION
von
Dipl. Phys. Oliver Markus Horn
aus Heidelberg
Tag der mundlichen¨ Prufung¨ : 21.12.2007
Referent: Prof. Dr. J. Blumer¨
Institut fur¨ Experimentelle Kernphysik, Universit¨at Karlsruhe (TH)
Korreferent: Prof. Dr. J. Jochum
Physikalisches Institut, Eberhard-Karls Universit¨at Tubing¨ enZusammenfassung
Ein Schwerpunkt in der Astroteilchenphysik ist die Frage nach der Natur der Dun-
klen Materie. Die wohl vielversprechendste Hypothese geht davon aus, dass es sich
hierbeiumbisherunentdeckteElementarteilchenhandelt,densogenanntenWIMPs.
Das EDELWEISS Experiment versucht, diese direkt uber Kernruckstoße an Germa-¨ ¨ ¨
niumkernen in kryogenen Bolometern nachzuweisen. Um eine Diskriminierung der
sehrseltenenKernruckstoßevonhaufigenElektronenruckstoßenaufderBasiseinzel-¨ ¨ ¨ ¨ ¨
nerEreignissezuerzielen,wirdeinEnergieeintraginjeweilszweiSignalenausgelesen,
alsTemperaturanstiegundalsIonisationdesHalbleiters. Beidieserexperimentellen
Technik verbleiben Neutronen als Hauptuntergrundquelle.
Außer durch (α,n) Reaktionen der natu¨rlichen Radioaktivit¨at werden Neutronen
auch in Teilchenschauern kosmischer Myonen im Gestein oder in der Abschirmung
des Experiments erzeugt. Um auf die sehr niedrigen zu erwartenden Ereignisraten
bei der Suche nach Dunkler Materie sensitiv zu sein, mu¨ssen Experimente wie das
EDELWEISS-II Experiment diesen Neutronenuntergrund effizient unterdrucken.¨
DievorliegendeArbeitistdaherderUntersuchungdesMyon-induziertenNeutronen-
flusses im Untergrundlabor LSM und der damit zusammenhangenden Ereignisrate¨
in den Germaniumkristallen gewidmet. Hierfu¨r wurden Monte Carlo Simulationen
mit Hilfe des Programmpakets Geant4 entwickelt. Um verlassliche Resultate zu¨
erhalten, wurde zun¨achst die im Programmpaket implementierte Physik in Bezug
auf die Neutronenproduktionsmechanismen untersucht. Die Ergebnisse innerhalb
eines vereinheitlichten Versuchsaufbaus konnten anschließend mit experimentellen
Messdaten sowie mit den Ergebnissen anderer Simulationspakete verglichen werden.
Die spezielle Energie- und Winkelverteilung des Myonenflusses im Untergrundlabor
LSM als Folge der ungleichen Gesteinsu¨berdeckung wurde implementiert. In einem
Vergleich mit ersten Daten des EDELWEISS-II Myonendetektors konnte eine gute
¨Ubereinstimmung des simulierten Myonenflusses mit gemessenen Raten gefunden
werden. Daruber hinaus wurde der von kosmischen Myonen erzeugte Untergrund¨
an Kernru¨ckstoßereignissen in Germanium-Kristallen simuliert. Diese Ereignisse
in Koinzidenz mit einem Energieeintrag in den Plastikszintillatormodulen des
Myonendetektors bestimmen die Vetoeffizienz. Die verbleibende Untergrundrate
−1 −1−5konnte auf na¨herungsweise Γ . 10 kg d reduziert werden. Damit istbg
+0.06die zu erwartende Vetoeffizienz besser als (99.94± 0.01 )%. Dies entspricht−0.1
3einem Unterdru¨ckungsfaktor von R ≈ O(10 ). Das Ergebnis der Simulationen
zeigt, dass der Myon-induzierte Untergrund etwa zwei Großenordnungen besser als¨
bisher erwartet reduziert werden kann. Dies bedeutet, dass die Sensitivit¨at des
EDELWEISS-II Experiments auf einen WIMP-Nukleonen-Wirkungsquerschnitt
−10von bis zu 10 pb prinzipiell nicht durch Myon-induzierten Untergrund limitiert
wird.
iiiAbstract
In modern astroparticle physics and cosmology, the nature of Dark Matter is one of
the central problems. Particle Dark Matter in form of WIMPs is favoured among
many proposed candidates. The EDELWEISS direct Dark Matter search uses Ger-
manium bolometers to detect these particles by nuclear recoils. Here, the use of
two signal channels on an event-by-event basis, namely the heat and ionisation sig-
nal, enables the detectors to discriminate between electron and nuclear recoils. This
techniqueleavesneutronsintheundergroundlaboratoryasthemainbackgroundfor
the experiment. Besides (α,n) reactions of natural radioactivity, neutrons are pro-
duced in electromagnetic and hadronic showers induced by cosmic ray muons in the
surrounding rock and shielding material of the Germanium crystals. To reach high
sensitivities, the EDELWEISS-II experiment, as well as other direct Dark Matter
searches, has to efficiently suppress this neutron background.
The present work is devoted to study the muon-induced neutron flux in the un-
derground laboratory LSM and the interaction rate within the Germanium crystals
by using the Monte Carlo simulation toolkit Geant4. To ensure reliable results, the
implementedphysicsinthetoolkitregardingneutronproductionistestedinabench-
mark geometry and results are compared to experimental data and other simulation
codes. Also, the specific energy and angular distribution of the muon flux in the
underground laboratory as a consequence of the asymmetric mountain overburden
is implemented. A good agreement of the simulated muon flux is shown in a com-
parison to preliminary experimental data obtained with the EDELWEISS-II muon
veto system. Furthermore, within a detailed geometry of the experimental setup,
the muon-induced background rate of nuclear recoils in the bolometers is simulated.
CoincidencesofrecoileventsintheGermaniumwithanenergydepositofthemuon-
inducedshowerintheplasticscintillatorsofthevetosystemarestudiedtodetermine
thevetoefficiency. Finally,theremainingbackgroundrateofmuon-inducedbolome-
−1 −1−5ter hits after applying the veto condition is approximately Γ .10 kg d . Thebg
muon detection efficiency in the simulations of the EDELWEISS-II veto system cor-
+0.06responds to (99.94±0.01 )%. This translates to a potential reduction of the−0.1
3muon-induced background in the order of R≈O(10 ). As a result of this work, the
sensitivity of the EDELWEISS-II experiment is in principle not limited by muon-
−10inducedbackgrounddowntoaWIMP-nucleoncrosssectionintherangeof10 pb.
iiiivContents
1 Cosmology and Dark Matter 1
1.1 Cosmological Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Cosmological observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Hubble’s expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Cosmic Microwave Background Radiation (CMB) . . . . . . . 4
1.2.3 Rotation Curves of Spiral Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.4 Large Scale Structure Formation . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.5 Big-Bang Nucleosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Dark Matter candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1 Baryonic candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2 Non-Baryonic candidates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 WIMP detection methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.1 Indirect detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.2 Direct Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.3 WIMP Detector Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2 The EDELWEISS Experiment 31
2.1 EDELWEISS-I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.1 Detection principle and calibration . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.2 Final results of EDELWEISS-I . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 EDELWEISS-II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.1 The new shielding concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.2 Muon veto system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.3 Detector Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.4 Sensitivity goal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3 Geant4 simulations of muons interacting with matter 47
3.1 The simulation toolkit Geant4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 The Geant4 - physics list . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.1 Electromagnetic interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.2 Muon nuclear interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.3 Hadronic interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.4 Geant4 particle production cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3 Neutron yield for varying muon energies . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3.1 Neutron yield by individual physics processes . . . . . . . . . 59
3.4 Neutron yield in various materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.5 Kinetic energy spectrum of μ-induced neutrons . . . . . . . . . . . . 63
vContents
3.6 Angular distribution of μ-induced neutrons . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 The muon flux at the LSM 67
4.1 The muon flux underground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2 Muon distribution in the LSM underground laboratory . . . . . . . . 72
4.3 First measurements with the EDELWEISS-II muon veto system . . . 76
5 EDELWEISS-II simulations with Geant4 77
5.1 The EDELWEISS-II muon veto system . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1.1 Mean muon energy deposit per module . . . . . . . . . . . . . 78
5.1.2 Geometrical efficiency